Учебное пособие по дисциплине «Энергосбережение в промышленных печах» для бакалавров направления 5310100 «Энергетика

Рис. 1-18. Схема электроннолучевой установки.


Электроннолучевая пушка представляет собой систему из двух электродов, нахо­дящихся под разностью потенциалов и изолированных друг от друга. В прорези одного электрода, называемого катодным, располагается термокатод, в другом электроде — анодном имеется также прорезь, соответствующая форме электронного пучка. Конфи­гурация электродов выбирается такой, чтобы эмиттируемые термокатодом электро­ны под действием электрического поля в межэлектродном пространстве собирались в плотный пучок.
За пределами анодного электрода электроны, образующие луч, движутся по инерции до поверхности нагреваемого металла. Отсутствие разгоняющего напряжения в зоне нагрева значительно снижает количество разрядов в процессе работы установки. С помощью электроннолучевых пушек можно получать пучки самой различной конфи­гурации. В нагревательных электроннолучевых установках наиболее широко исполь­зуются полые конические пучки, сплошные цилиндрические, конические и плоские. Управление лучом, т.е. его перемещение по нагреваемой поверхности или по зеркалу ванны жидкого металла, производится с помощью отклоняющих электромагнитных ка­тушек.
Плавка электронным лучом в высоком вакууме не только применя­ется для выплавки жароупорных металлов, но и может быть использо­вана для повышения качества специальных сталей. Сталь, полученная таким способом, работает вчетверо дольше обыкновенной, и детали, сделанные из нее, более надежны.
Плазменный нагрев. Как уже указывалось выше, преобра­зование электрической энергии в тепло в условиях дугового разряда происходит за счет образования газовой плазмы. При обычном дуговом разряде плазма образуется из моле­кул газа окружающей среды. Если же дуговой разряд происходит в пототке газа, движущегося с определенной скоростью, то образуется факел горя­чего ионизированного газа. Так как в плазменной струе при атмосферном давлении развивается температура 8000-30000 °С, то струя может быть использована для высокотемпературного нагрева.
Формирование плазменной струи производится с помощью специальных плазменных генераторов, или плазмо­тронов.
Плазменный генератор представляет собой камеру, в которой раз­мещены два электрода, причем анодный электрод выполнен в виде специальной пластины с соплом, а катодный — в виде стержня, как это показано на рис. 1-19. Если зажечь дугу между электродами и начать подавать в камеру газ, то из сопла анодного электрода будет выры­ваться струя плазмы с очень высокой температурой. Газ, подаваемый в камеру, служит также и для охлаждения электродов. При выходе из сопла струя плазмы отдает свою энергию нагреваемому телу теплоиз­лучением и теплопроводностью, а также за счет кинетической энергии направленного движения плазмы. Кроме плазмотронов, использующих факел электрической дуги для образования струи плазмы, имеются конструкции плазменных генераторов, в которых плазма образуется с помощью высокочастотных индукционных разрядов.

Рис. 1-19. Схема плазменного генератора.
1 — металлический водоохлаждаемый ка­тодный электрод; 2 —узел уплотнения; 3 — водоохлаждаемые стенки камеры; 4 — электрическая дуга; 5 — анодный электрод с соплом; 6 — плазменная струя; 7 — пода­ча газа.

Высокочастотный индукционный разряд позволяет получать чистую плазму, не загрязненную материалами электродов, поэтому с ее помощью можно нагревать и плавить химически чистые материалы.

Высокая концентрация энергии в плазменной струе и возможность создания любой атмосферы — восста­новительной, нейтральной или окислительной— делают перспективным при­менение плазменных установок в электрогазовой химии для получения аце­тилена из метана, связанного азота из воздуха и т. д., в металлургии — для выращивания монокристаллов, плавки тугоплавких металлов и легированных сталей, прямого восстановления ме­таллов из окислов.
На рис. 1-20 изображена схема плазменной плавильной печи.